Les recherches de l’équipe, dont le point culminant est un article qui vient de paraître dans Physical Review Letters, ont abouti à une équation de la cosmologie vieille de près d’un siècle. Un tel résultat peut paraître à première vue plutôt banal.

« Si vous montriez la dernière équation de notre article à un cosmologiste, il ne serait pas très impressionné, parce que c’est l’équation la plus fondamentale de la cosmologie, dit Steffen Gielen. On la trouve en première page des manuels de cosmologie. » [traduction]
Mais cette équation – une description d’un univers vide proposée il y a 89 ans par le pionnier de la physique Alexander Friedmann – est exactement ce que les chercheurs espéraient trouver. Dans ce contexte, l’équation est remarquable à cause de la manière dont ils y sont arrivés.

Aboutir à cette équation fondamentale par une avenue d’investigation différente – celle de la gravitation quantique – est un résultat qui a des implications importantes.

La recherche en gravitation quantique vise à unifier la physique de l’infiniment grand, décrite par la relativité générale d’Einstein, et celle de l’infiniment petit, décrite par la mécanique quantique. Les deux théories sont riches de décennies de vérifications expérimentales, mais elles semblent difficilement compatibles entre elles. Une nouvelle théorie unifiant ces deux théories constitue l’un des objectifs les plus ambitieux de la physique contemporaine.

La recherche sur la gravitation quantique « indépendante du fond », par exemple les travaux de M. Gielen et de ses collaborateurs, constitue une parmi plusieurs approches qui visent à unifier ces deux piliers de la physique. Par conséquent, lorsque Steffen Gielen et ses collaborateurs ont abouti à une équation fondamentale de la cosmologie en approchant la gravitation quantique par la théorie des groupes en théorie quantique des champs, ils étaient à bon droit très excités.

En aboutissant à l’équation de Friedmann, qui décrit essentiellement un modèle homogène de l’univers (on peut penser à un tableau sur lequel rien n’est écrit), les chercheurs ont démontré le potentiel de compatibilité entre la mécanique quantique et la relativité générale.

Des résultats de ce type pourraient conduire à une meilleure compréhension du commencement de l’univers, puisque le Big Bang est un exemple de l’apparente incompatibilité de la relativité générale et de la mécanique quantique.

L’article publié dans Physical Review Letters est le résultat d’une année de collaboration au Canada et en Allemagne (et de beaucoup de conversations par Skype). Steffen Gielen a fait équipe avec Daniele Oriti et Lorenzo Sindoni, tous deux de l’Institut Max-Planck de physique gravitationnelle (Institut Albert-Einstein), où M. Gielen a été postdoctorant avant de se joindre à l’Institut Périmètre en janvier 2012.

Leurs résultats ouvrent la porte à de nouvelles recherches – déjà entreprises par Steffen Gielen et ses collaborateurs – pour appliquer leur approche à des modèles plus complexes de l’univers, afin de tenir compte de facteurs comme la matière et les perturbations.

Autrement dit, après avoir démontré un principe avec un univers théorique « vide », ils vont maintenant remplir cet univers et voir si leurs prédictions sont avérées.

« L’univers réel n’est pas vraiment homogène – il possède une structure, des galaxies, des planètes, toutes sortes de choses, a expliqué M. Gielen. Les théories standard de la cosmologie nous donnent de bonnes explications à ce sujet. Nous devons donc les expliquer dans le cadre de la gravitation quantique. » [traduction]

Les résultats présentés dans Physical Review Letters représentent une étape importante dans cette direction, et un aperçu terriblement attrayant de l’avenir de la recherche en gravitation quantique.

« Cette approche a le grand potentiel de suggérer un lien beaucoup plus clair entre la gravitation quantique et la cosmologie, a ajouté Steffen Gielen. Ce sont deux grands domaines de recherche à l’Institut Périmètre, et ils nous permettent d’étudier des phénomènes comme le Big Bang et de comprendre ce qui se passe. » [traduction]